Promotionsvorhaben

Kurzfassung

Lehrer und Bildungsforscher bemerken immer wieder, dass Schülerinnen und Schüler dem Schulexperiment ein starkes Interesse entgegenbringen.

Leider zeigt sich, dass mit hohem Interesse nicht notwendigerweise ein Lernerfolg einhergeht. Daher wird international nach den Ursachen für dieses Ausbleiben eines Lernerfolgs geforscht. Dabei werden meist solche Einflussgrößen untersucht, die man leicht abfragen kann. Dazu gehören z. B. Motivation, Vorwissen, Verständnis für wissenschaftliches Vorgehen, das Empfinden einer Überforderung und andere.

Bisher ist jedoch noch wenig untersucht, in wie weit Probleme beim tatsächlichen Durchführen des Experiments den Lernerfolg behindern. Solche Probleme können fehlende Routine im Umgang mit Messgeräten oder allgemein dem Experimentiermaterial sein, auch Unerfahrenheit darin, was wichtige und unwichtige Einflussgröße für das Experiment sind oder wie man ein Experiment so aufbauen und durchführen kann, dass ein möglichst guter Messwert erzielt wird.

Wir untersuchen daher, mit welchen Schwierigkeiten Schülerinnen und Schüler bei der Durchführung von Experimenten konfrontiert sind. Wir achten dabei auf die Handlungen der Schülerinnen und Schüler. Insbesondere versuchen wir typische Schwierigkeiten zu identifizieren und in Kategorien einzuteilen. Sollten wir Kategorien finden, die besonders häufig beobachtet werden, lassen sich daraus hoffentlich Erkenntnisse gewinnen, wie Experimente umgestaltet odervorbereitet werden müssen, so dass neben der Freude am Experimentieren auch ein größerer Wissenszuwachs entsteht.

 


Desiderate der manuellen Umsetzung bei naturwissenschaftlichen Schülerexperimenten

 

An die Rolle des Experiments im Unterricht sind viele Hoffnungen und Erwartungen geknüpft.

Als Vermittler von Nature of Science und Scientific Inquiry sollen Experimente eine wichtige Rolle spielen (Tesch, Duit, 2002). Als Verständnis- und Lernhilfe sollen sie den Zugang zur Physik vereinfachen (Kircher, 2015). Weiterhin erwartet man von Schülerexperimenten die Begünstigung des Lernerfolgs durch Motivation und kognitive Aktivierung (Kircher, Girwidz, Häußler, 2007), sowie durch die Förderung von kausalem und funktionalem Denken (Bruch, 2015).

 

Leider zeigt die Studienlage seit vielen Jahren, dass die erwarteten Auswirkungen auf Interesse und Motivation (Harlen, 1999), Fachwissen (Hofstein & Lunetta, 2004), experimentelle Fähig- und Fertigkeiten oder die Einstellung (Hopf, 2007) ausbleibt. Die Diskrepanz zwischen Erwartungen und Befunden führt dazu, dass experimentelles Handeln einer der meistbeachteten und am besten untersuchten Themenbereiche der Physikdidaktik ist (Börlin, 2012).

 

Bisher wurden jedoch überwiegend diejenigen Aspekte experimenteller Kompetenz untersucht, die sich gut mit Paper- und Pencil-Tests erfassen lassen. Die tatsächliche manuelle Ausführung (Parchmann & Schecker, 2006) ist bisher noch wenig untersucht (z. B. im Rahmen des Projekts HarmoS Naturwissenschaften), da bezweifelt wird, ob solche Paper und-Pencil-Tests valide genug sind, um ebendiese Kompetenzen der manuellen Ausführung zu erfassen (Parchmann, Schecker, 2006; Schecker, Theyßen, Schreiber, 2009).

Wir interessieren uns daher für die Handlungen am Experiment. Darunter verstehen wir in Anlehnung an Harlen (2010): Schritte mit dem Ziel der Bestimmung der für die Fragestellung relevanten Größen. Dabei können Fehler auftreten. Unter einem Fehler verstehen wir ebenfalls in Anlehnung an Harlen (2010): Handlungen, die ungeplant zu einer Veränderung des Ergebnisses führen. Die Handlungen unter Berücksichtigung der situationalen Bedingungen (z.B. Experimentiermaterial oder motivationale Aspekte) sind dabei Ausdruck der experimentellen Kompetenzen der manuellen Ausführung.

 

 

Präpilotierung:

Wir fokussierten im Rahmen eines studentischen Grundpraktikums im Wintersemester 2017/2018 die manuelle Ausführung während des Experimentierens. Es wurden dabei fünf Mal von jeweils zwei Studierenden aus dem 2. - 4. Semester zwei verschiedener Experimente durchgeführt.

Die Studierenden wurden videografiert und Ausschnitte ermittelt, in denen Fehler auftraten. Durch eine qualitative Inhaltsanalyse nach Mayring wurden Fehlerkategorien und ein entsprechendes Kodiermanual erstellt (Haag, Scheid, Löffler, Kauertz, 2017).

Parallel dazu erstellten wir ein Klassifizierungssystem, mit dem Versuche anhand ihrer Attribute untereinander vergleichbar gemacht werden sollen. Dadurch soll die Performanz der Experimentierenden über Versuche verschiedener Themengebiete und Komplexität operationalisierbar werden.

Wir unterscheiden Experimente nach

 

a)      Der Anzahl der wirksamen Schritte

b)      der Anzahl der notwendigen Messungen

c)       der Anzahl der eingesetzten Arten von Messinstrumenten 

d)      die Anzahl der Zusammenhänge zwischen den Variablen.

 

Als wirksamen Schritt haben wir eine erforderliche Maßnahme am Experiment definiert, die das Ergebnis beeinflussen kann.

Die Klassen b bis d repräsentieren die Komplexität (adaptiert nach Kauertz et al., 2010) der Experimente, indem sie die Anzahl der Elemente, ihrer Verknüpfungen und ihrer Zusammenhänge darstellen.

 

F1PP (Forschungsfrage 1 der Ppilotierung):

Welche Kategorien lassen sich für die beobachteten Fehler bilden?

 

 

Ergebnisse der Präpilotierung:

insgesamt 30 Fehler identifiziert. Am weitaus häufigsten (nVK = 26) traten Fehler auf, bei denen eine oder mehrere Kontrollvariablen wie beispielsweise die Masse einer bestimmten Menge Wasser oder die Temperatur unbeabsichtigt unkontrolliert verändert werden. Fehler solcher Art bezeichnen wir als Variablenkontrollfehler VK. Weiter beobachteten wir Fehler bei der Nutzung der Messgeräte MG (nMG = 1), hier der Blickwinkel beim Ablesen des Thermometers. Weiterhin werden auch unangebrachte Wassermengen oder Temperaturwerte eingesetzt, so dass der relative Fehler R der Messung unverhältnismäßig hoch ist (nR = 1). Es wurden auch Fehler beobachtet, die durch eine missverständliche Kommunikation entstanden, also Kommunikationsfehler K (nK= 1). In die fünfte Fehlerkategorie fallen sonstige Fehler S (nS = 1), wie zum Beispiel das Vergessen einer Messung. Für diese Fehlerkategorien wurde ein Kodiermanual erstellt und die Beurteilerübereinstimmung bewertet. Cohens Kappa für die Interraterreliabilität betrug к =  1.000, p < 0,1.

 

Es fällt auf, dass Variablenkontrollfehler mit Abstand die am häufigsten auftretende Fehlerkategorie ist. Es stellt sich daher die Frage, ob die Kategorie Variablenkontrollfehler nicht vielleicht trivial ist und vielleicht noch Subkategorien gefunden werden können oder ob es sich bei der Fehlerkategorie Sonstige Fehler S um ein Artefakt handelt. Es ist aufgrund der geringeren Erfahrung und Vorwissens von Schülerinnen und Schülern im Vergleich zu Studierenden zu erwarten, dass Schülerinnen und Schüler mehr Probleme haben, den Versuch durchzuführen als Studierende. Auch lässt sich vermuten, dass Studierende der Physik über eine höhere „allgemeine Physikkompetenz“ verfügen, als Schülerinnen und Schüler.  Da beobachtet wurde, dass bei Studierenden Variablenkontrollfehler VK in hoher Zahl auftraten, ist zu untersuchen, ob hier besonders im Hinblick auf die Lernentwicklung von Schülerinnen und Schüler ein erforschenswertes Problemfeld liegt. Zusätzlich ist die Validität der kleinen Stichprobe von Studierenden n = 10 zu hinterfragen. Um diesen Fragen nachzugehen führen wir eine Pilotstudie mit Lernenden der Sekundarstufe 1 durch. Dabei erwarten wir auf Grund der geringeren Routine der Lernenden, verglichen mit Studierenden, eine häufigere Besetzung aller bisher gefundenen Fehlerkategorien, das Auffinden von Subkategorien der häufig besetzen Fehlerkategorien und vielleicht neuer Fehlerkategorien.

 

Pilotstudie:

In der Pilotstudie sollen oben genannte Konstrukte empirisch validiert werden.

Schülerinnen und Schüler der 8. und 9. Klasse einer GemS durchlaufen ein Experimentiersetting aus mehreren kurzen Einheiten aus der Physik (Mechanik, Thermodynamik) und der Chemie (Oxidation von Metallen, Destillation) und werden dabei videografiert. Die Schülerinnen und Schüler sollten dem erteilten Unterricht entsprechend über das nötige Vorwissen verfügen, die gestellten Aufgaben bewältigen zu können. Die Videodaten werden einer qualitativen Inhaltsanalyse nach Mayring (2002) unterzogen um folgende Fragen zu klären:

 

F1P: Wie muss das Attributesystem von Versuchen für Schülerinnen und Schüler verändert/ergänzt werden?

F2P: Wie muss das Kategoriensystem für die Einordnung von Fehlern von Schülerinnen und Schülern verändert/ergänzt werden?

 

 

 

Ausblick Hauptstudie:

Sollten die in der Präpilotierung gefundenen Kategoriensysteme in der Pilotstudie bestätigt bzw. verändert/ergänzt werden, stellen sich weitere Forschungsfragen:

 

F1H:

Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Komplexität eines Versuches und der Fehlerhäufigkeit?

F2H:

Welche Zusammenhänge bestehen zwischen Personenmerkmalen wie Hobbies, Motivation, Selbstwirksamkeitserwartung oder Intelligenz und absoluter Fehlerhäufigkeit?

F3H:

Welche Zusammenhänge zeigen sich zwischen Personenmerkmalen und Fehlerkategorien?

 

Diese Fragen sollen ebenfalls durch eine Erhebung unter Mitwirkung von Schülerinnen und Schülern in realen Experimentiersituationen untersucht werden.

 

 

Literaturverzeichnis (Auszug):

Börlin, J. (2012). Das Experiment als Lerngelegenheit. Vom interkulturellen Vergleich des Physikunterrichts zu Merkmalen seiner Qualität, Berlin.

Bruch, M. (2015). Lerntheorien im Kontext des Problemlösens: Eine praktische und umfangreiche Studie zu einem schülerorientierten Unterrichtsansatz. Hamburg, Diplomica Verlag GmbH 2015.

Haag, G., Scheid J., Löffler P., Kauertz A. (2017). Desiderate bei der manuellen Ausführung von Experimenten. In: C. Maurer (Ed.), Qualitätsvoller Chemie- und Physikunterricht – normative und empirische Dimensionen. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Regensburg 2017. Regensburg: Universität Regensburg. 

Harlen, W. (1999). Effective teaching of science: A review of research. SCRE publication Using research series: Vol. 21. Glasgow: Scottish Council for Research in Education.

Harlen, W. (2010). Purposes and Procedures for Assessing Science Process Skills. Assessment in Education: Principles, Policy & Practice, 6(1), 129–144. https://doi.org/10.1080/09695949993044

Hodson, D. (1993). Re-thinking Old Ways: Towards A More Critical Approach To Practical Work In School Science. Studies in Science Education, 22(1), 85–142. https://doi.org/10.1080/03057269308560022

Hofstein, A., & Lunetta, V. N. (2004). The laboratory in science education: Foundations for the twenty-first century. Science Education, 88(1), 28–54. https://doi.org/10.1002/sce.10106

Hopf, M. (2007). Problemorientierte Schülerexperimente. Zugl.: München, Univ., Diss., 2007. Studien zum Physik- und Chemielernen: Vol. 68. Berlin: Logos-Verl. Retrieved from http://deposit.d-nb.de/cgi-bin/dokserv?id=3018834&prov=M&dok_var=1&dok_ext=htm

Kauertz, A. (2007). Schwierigkeitserzeugende Merkmale physikalischer Leistungstestaufgaben, Essen.

Kauertz, A., Fischer, H., Mayer, J., Sumfleth, E., & Walpuski, M. (2010). Standardbezogene Kompetenzmodellierung in den naturwissenschaftlichen Fächern der Sekundarstufe I. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften, 16, 135–153.

Kircher, E., Girwidz, R., & Häußler, P. (2015). Physikdidaktik. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg.

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Konsortium HarmoS Naturwissenschaften+ (2010). Naturwissenschaften. Wissenschaftlicher Kurzbericht und Kompetenzmodell. Provisorische Fassung (vor Verabschiedung der Standards). Stand: Juli 2009, mit Ergänzungen und Korrekturen Januar 2010. Bern.

Mayring, P. (2002). Einführung in die qualitative Sozialforschung. Weinheim und Basel. Beltz-Verlag.

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Schecker, H., Theyßen, H., & Schreiber, N. (2009). Experimentelle Kompetenz messen?! Physik und Didaktik in Schule und Hochschule, 3(8), 92–101.

Tesch, M., Duit, R. (2002). Zur Rolle des Experiments im Physikanfangsunterricht. In: V. Nordmaier (Hg.): Didaktik der Physik: Beiträge zur Frühjahrestagung der DPG – Leipzig 2002